CH673707A5

CH673707A5 -

Info

Publication number: CH673707A5
Application number: CH2824/87A
Authority: CH
Inventors: Thomas Scholian
Original assignee: Kern & Co Ag
Priority date: 1987-07-24
Filing date: 1987-07-24
Publication date: 1990-03-30
Also published as: EP0302821B1; JPS6450908A; DE3864773D1; EP0302821A1; US4993162A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Neigung eines Geräteteiles gegenüber der Richtung der Schwerkraft mit einer, einen optischen Strahlengang erzeugenden io Quelle, einem sich nach der Schwerkraftrichtung einstellenden, den optischen Strahlengang ablenkenden Bauelement, einem, eine durch Neigungsänderung der Einrichtung bewirkte Verschiebung des Strahlenganges erfassenden Bauelement und mit Mitteln zur Führung des Strahlenganges von seiner Quelle über i5 das sich nach der Schwerkraftrichtung einstellende Bauelement bis zu dem die Verschiebung erfassenden Bauelement. DESCRIPTION The invention relates to a device for measuring the inclination of a device part with respect to the direction of gravity with a source producing an optical beam path, a component which adjusts itself according to the direction of gravity and which deflects the optical beam path, a displacement of the device caused by a change in the inclination of the device Component detecting the beam path and with means for guiding the beam path from its source via i5 the component which adjusts itself after the direction of gravity to the component which detects the displacement.

Bekannte Einrichtungen zur Erfassung einer Neigung oder Neigungsänderung von Geräten oder Teilen derselben sind entweder mechanisch mit dem Gerät verbunden, aber von diesem 20 unabhängig funktionsfähig, oder der Neigungsmesser greift direkt in die Funktion des Gerätes ein und das Gerät ist nur gemeinsam mit demselben funktionsfähig. Konstruktionen der letztgenannten Art sind bei vermessungstechnischen Instrumenten, wie Nivellieren und Theodoliten bekannt. Sie dienen hier 25 als Kompensatoren, die eine Abweichung der Neigung des Instrumentes von der idealen Horizontallage kompensieren, indem sie die Lage des Bildes des anvisierten Zielpunktes, bzw. des Ablesestrahlenganges entsprechend verschieben. Eine derartige Konstruktion ist in EP-A-154 568 (Sercel) offenbart. 30 Vom Gerät unabhängig funktionsfähige Neigungsmesser arbeiten mit elektrooptischen Mitteln und erzeugen elektrische Ausgangssignale, welche eine Fehlhorizontierung anzeigen. Die in solchen Fällen fehlerhaften Messwerte des Theodoliten werden dann mit einem Mikroprozessor rechnerisch korrigiert, wie 35 dies in DE-OS-2 638 621 (Kern & Co. AG) beschrieben ist. Es hat sich gezeigt, dass bekannte, in Geräte eingebaute Einrichtungen zur Neigungsmessung eine nur bei erheblichem konstruktivem Aufwand befriedigende Stabilität, Justierbarkeit und Reproduzierbarkeit ihrer Messwerte aufweisen. 40 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Neigungsmessung mit verbesserter optisch-mechanischer sowie thermischer Stabilität anzugeben, welche eine einfache und reproduzierbare Montage an einem Messgerät erlaubt. Als Lösung dieser Aufgabe ist eine Einrichtung zur Nei-45 gungsmessung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanisch stabile Trägerplatte vorhanden ist, mit welcher die, den Strahlengang erzeugende Quelle, das den Strahlengang ablenkende Bauelement und das, die Verschiebung des Strahlenganges erfassende Bauelement in räum-50 lieh definierter Lage verbunden sind und dass die Mittel zur Führung des Strahlenganges sowohl mit der Trägerplatte als auch untereinander fest verbunden sind. Vorteilhafte Ausbildungen dieser Einrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet. Known devices for detecting an inclination or change in inclination of devices or parts thereof are either mechanically connected to the device, but function independently of it, or the inclinometer intervenes directly in the function of the device and the device is only functional together with the device. Constructions of the latter type are known in surveying instruments such as leveling and theodolites. They are used here as compensators, which compensate for a deviation of the inclination of the instrument from the ideal horizontal position by correspondingly shifting the position of the image of the targeted target point or of the reading beam path. Such a construction is disclosed in EP-A-154 568 (Sercel). 30 Inclinometers that work independently of the device work with electro-optical means and generate electrical output signals that indicate incorrect leveling. The measurement values of the theodolite which are incorrect in such cases are then mathematically corrected using a microprocessor, as described in DE-OS-2 638 621 (Kern & Co. AG). It has been shown that known devices for inclination measurement built into devices have a stability, adjustability and reproducibility of their measured values that are satisfactory only with considerable design effort. It is therefore an object of the present invention to provide a device for inclination measurement with improved optical-mechanical and thermal stability, which allows simple and reproducible mounting on a measuring device. As a solution to this problem, a device for inclination measurement of the type mentioned at the outset is characterized in that a mechanically stable support plate is provided with which the source generating the beam path, the component deflecting the beam path and the component detecting the displacement of the beam path are connected in a spatially defined position and that the means for guiding the beam path are firmly connected both to the support plate and to one another. Advantageous designs of this device are characterized in claims 2 to 10.

55 Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: 55 The invention will now be explained in greater detail on the basis of an exemplary embodiment shown schematically in the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemässen Neigungsmessgerätes von vorn, 1 is a front view of an inclinometer according to the invention,

60 Fig. 2 eine Ansicht des Gerätes gemäss Fig. 1 von unten, Fig. 3 eine Ansicht des Gerätes gemäss Fig. 1 von hinten, Fig. 4 eine Ansicht des Gerätes gemäss Fig. 1 von links und Fig. 5 eine Ansicht des Gerätes gemäss Fig. 1 von rechts. Fig. 1 zeigt von der Längsseite her eine rechteckige Glasplat-65 te 1, welche als Trägerplatte dient. Ihre Dicke ist so gewählt, dass sich eine hinreichende mechanische Stabilität des Neigungsmessgerätes ergibt. Diese Trägerplatte 1 weist in der Längsrichtung vorstehende Teile 2, 3 auf, die mit Schrägen 4, 5 2 shows a view of the device according to FIG. 1 from below, FIG. 3 shows a view of the device according to FIG. 1 from behind, FIG. 4 shows a view of the device according to FIG. 1 from the left and FIG. 5 shows a view of the device 1 from the right. Fig. 1 shows from the long side a rectangular Glasplat-65 te 1, which serves as a carrier plate. Their thickness is selected so that there is sufficient mechanical stability of the inclinometer. This carrier plate 1 has parts 2, 3 projecting in the longitudinal direction, which are provided with bevels 4, 5

3 3rd

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versehen sind und zur geometrisch definierten Montage des Neigungsmessgerätes an Teilen eines anderen Gerätes dienen, dessen Neigung gemessen werden soll und welches selbst nicht dargestellt ist. Auf die Platte 1 ist eine ebenfalls aus Glas bestehende deckelartige Glocke 6 aufgekittet, die teilweise mit einer Flüssigkeit 7 gefüllt ist, welche auf der Platte 1 aufliegt. Ändert sich die Neigung der Platte 1 gegenüber der Schwerkraftrichtung, so behält die Oberfläche der Flüssigkeit 7 in an sich bekannter Weise ihre Orientierung bei. Dabei ändert aber ein im Gerät erzeugter und an der Flüssigkeitsoberfläche totalreflektierter Lichtstrahl 8 seine Lage im Gerät, er wird verschoben. are provided and are used for the geometrically defined mounting of the inclinometer on parts of another device, the inclination of which is to be measured and which itself is not shown. A cover-like bell 6, which is also made of glass, is cemented onto the plate 1 and is partially filled with a liquid 7 which rests on the plate 1. If the inclination of the plate 1 changes with respect to the direction of gravity, the surface of the liquid 7 maintains its orientation in a manner known per se. However, a light beam 8 generated in the device and totally reflected on the surface of the liquid changes its position in the device and is displaced.

An der Unterseite der Trägerplatte 1 ist, wie insbesondere aus Fig. 2 und Fig. 5 ersichtlich, ein T-förmiger metallischer Träger 9 aufgekittet, der zwei Bohrungen 10,11 aufweist. Bohrung 11 dient zur Aufnahme einer nicht mit dargestellten infra-rotlichtemittierenden Diode (IRED), welche den Lichtstrahl 8 erzeugt. Bohrung 10 dient zur Aufnahme einer nicht mit dargestellten positionsempfindlichen Fotodiode, welche den Lichtstrahl 8 empfängt und dessen Verschiebungen detektiert. On the underside of the carrier plate 1, as can be seen in particular from FIGS. 2 and 5, a T-shaped metallic carrier 9 is cemented on, which has two bores 10, 11. Bore 11 serves to receive an infrared light-emitting diode (IRED), not shown, which generates the light beam 8. Bore 10 serves to receive a position-sensitive photodiode, not shown, which receives the light beam 8 and detects its displacements.

Von seiner Quelle in der Bohrung 11 gelangt der Lichtstrahl 8 über Umlenkprismen 12,13 und ein Prisma 14 durch die Trägerplatte 1 unter etwa 45 Grad von unten auf die Oberfläche der Flüssigkeit 7, an der er total reflektiert wird. Nach dieser Totalreflexion gelangt der Strahl 8 wiederum durch die Trägerplatte 1 und Prisma 14 über zwei weitere Umlenkprismen 15,16 auf ein langgestrecktes Prisma 17, welches ihn unter zweimaliger Reflexion zu der in der Bohrung 10 des Trägers 9 montierten positionsempfindlichen Fotodiode zurückführt, wie dies insbesondere Fig. 2 und Fig. 3 zeigen. From its source in the bore 11, the light beam 8 passes through deflection prisms 12, 13 and a prism 14 through the carrier plate 1 at about 45 degrees from below to the surface of the liquid 7, on which it is totally reflected. After this total reflection, the beam 8 in turn passes through the carrier plate 1 and prism 14 via two further deflection prisms 15, 16 to an elongated prism 17, which returns it to the position-sensitive photodiode mounted in the bore 10 of the carrier 9 with two reflections, as is particularly the case 2 and 3 show.

Wie in den Fig. 1 bis 5 dargestellt, sind die Prismen 14, 17 auf die Trägerplatte 1 aufgekittet, die Prismen 13, 15 sind auf das Prisma 17 aufgekittet und die Prismen 12, bzw. 16 sind auf die Prismen 13, bzw. 15 aufgekittet. Auf den Prismen 13, bzw. 15 ist je eine Linse 18, bzw. 19 aufgekittet. Diese Linsen bilden die Leuchtfläche der Quelle des Lichtstrahles 8 auf die positionsempfindliche Fotodiode ab. Diese Fotodiode erzeugt zwei elektrische Ausgangssignale, welche die Lage des Lichtstrahles 8 nach zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen auf der Empfangsfläche angeben. As shown in FIGS. 1 to 5, the prisms 14, 17 are cemented onto the carrier plate 1, the prisms 13, 15 are cemented onto the prism 17 and the prisms 12 and 16 are onto the prisms 13 and 15 respectively cemented on. A lens 18 or 19 is cemented onto the prisms 13 or 15. These lenses map the luminous surface of the source of the light beam 8 onto the position-sensitive photodiode. This photodiode generates two electrical output signals which indicate the position of the light beam 8 in two mutually perpendicular coordinate directions on the receiving surface.

Lageänderungen des Strahles 8 in diesen zwei Koordinaten 5 entsprechen Neigungsänderungen des Gerätes nach zwei zueinander senkrechten Richtungen. Ist das Neigungsmessgerät in einem Theodoliten zur Kompensation von Horizontierungsfeh-lern montiert, so legt man die Richtungen, in denen die Neigungen detektiert werden, zweckmässig in die Horizontalrichtung io des Zieles und in die Richtung der Kippachse. Changes in the position of the beam 8 in these two coordinates 5 correspond to changes in the inclination of the device in two mutually perpendicular directions. If the inclinometer is installed in a theodolite to compensate for leveling errors, the directions in which the inclinations are detected are expediently set in the horizontal direction io of the target and in the direction of the tilt axis.

In den Fig. 1 bis 5 sind gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Weist das Gerät, in welches ein erfindungsgemässer Neigungsmesser montiert wird, Anschlagflächen zur Aufnahme der Montageteile 2, 3 der Trägerplatte 1 15 auf und definieren diese Anschlagflächen den Richtungsbezug des Gerätes, so kann der für sich allein voll funktionsfähige Neigungsmesser vor seiner Montage hinreichend genau justiert werden, ohne dass eine Nachjustierung nach der Montage erforderlich wäre. Die vorstehenden Teile 2, 3 der Trägerplatte 1 20 weisen zur Montage im nicht mit dargestellten Gerät Auflageflächen auf, die sich vorzugsweise auf derselben Seite befinden, wie die neigungsstabile Flüssigkeit 7. Damit ist sichergestellt, dass bei fehlerfreier Horizontierung diese Oberseite der Grundplatte 1 waagrecht liegt und die Flüssigkeit 7 somit eine Schicht 25 mit um eine Zentralachse symmetrisch verteilter Dicke bildet. In dieser symmetrischen Lage sind dann systematische Messfehler infolge von Strahlverschiebungen bei Temperaturänderungen mit entsprechenden Brechzahländerungen der Flüssigkeitsschicht 7 minimal. Da der Messstrahlengang bis auf die kurzen 30 Luftwege zwischen den Prismen 13, 14, 15 stets in Glas verläuft, ergibt sich eine geringe Verschmutzungsempfindlichkeit. Durch die geringe Anzahl von Glas-Luft-Übergängen des Strahlenganges ist das Auftreten von störenden Nebenreflexen und Mehrfachreflexionen minimal. Anstelle der beschriebenen IR-emittierenden Quelle (IRED) für den Lichtstrahl 8 kann auch eine Quelle für andere optische Strahlung verwendet werden, wenn der vorhandene Lichtempfänger dies erfordert. 1 to 5, the same components are denoted by the same reference numerals. If the device in which an inclinometer according to the invention is mounted has stop surfaces for receiving the mounting parts 2, 3 of the support plate 1 15 and these stop surfaces define the directional reference of the device, then the fully functional inclinometer can be adjusted with sufficient accuracy before it is installed without the need for readjustment after assembly. The projecting parts 2, 3 of the carrier plate 1 20 have mounting surfaces for mounting in the device (not shown), which are preferably located on the same side as the inclination-stable liquid 7. This ensures that this top of the base plate 1 lies horizontally when the leveling is correct and the liquid 7 thus forms a layer 25 with a thickness symmetrically distributed around a central axis. In this symmetrical position, systematic measurement errors as a result of beam displacements during temperature changes with corresponding changes in the refractive index of the liquid layer 7 are minimal. Since the measuring beam path, except for the short 30 air paths between the prisms 13, 14, 15, always runs in glass, there is little sensitivity to contamination. Due to the small number of glass-air transitions in the beam path, the occurrence of disturbing secondary reflections and multiple reflections is minimal. Instead of the described IR-emitting source (IRED) for the light beam 8, a source for other optical radiation can also be used if the existing light receiver so requires.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Device for measuring the inclination of a device part with respect to the direction of gravity with a source that generates an optical beam path (8),

a component (7) which adjusts itself according to the direction of gravity and deflects the optical beam path,

a component which detects a displacement of the beam path (8) caused by a change in the inclination of the device and means (12 to 17) for guiding the beam path (8) from its source via the component (7) which adjusts itself according to the direction of gravity up to which the displacement detecting component, characterized in

that there is a mechanically stable support plate (1) with which the source generating the beam path (8), the component (7) deflecting the beam path (8) and the component detecting the displacement of the beam path (8) in a spatially defined position are connected and that the means (12 to 17) for guiding the beam path (8) are firmly connected both to the carrier plate (1) and to one another.

2. Device according to claim 1, characterized in that the source generating the beam path (8) and the component detecting its displacement are geometrically defined, but are interchangeably connected to the carrier plate (1).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Device according to claim 1, characterized in that the carrier plate (1) consists of a transparent material and that the component which adjusts itself according to gravity and deflects the optical beam path (8) is a liquid (7) located on the carrier plate (1) ) with a free surface, which is held together there by an attached bell-like bottomless can (6), the beam path (8) being reflected through the carrier plate (1) on the free surface of the liquid (7).

4. Device according to claim 1, characterized in that the mechanically stable support plate (1) has free support surfaces for spatially defined and adjustment-free mounting of the device on the device part to be measured.

5. Device according to claim 1, characterized in that it also allows the inclination of the device itself to be measured by the component detecting the displacement of the beam path (8) even when it is not mounted on the device part.

6. Device according to claim 3, characterized in that the attached bell-like box (6), the carrier plate (1) and the beam-guiding means (12 to 17) consist of the same transparent material and are firmly cemented together.

7. Device according to claim 1, characterized in that the component detecting the displacement of the beam path is a position-sensitive photodiode, the electrical output signals of which indicate the inclination in one or two coordinate directions.

8. Device according to claim 1, characterized in that the component detecting the displacement of the beam path (8) is a four-quadrant photodiode whose electrical output signals indicate the inclination in two coordinate directions.

9. Device according to claim 7 or 8, characterized in that the source generating the optical beam path (8) is an optical radiation-emitting diode which is mounted together with the component detecting the displacement of the beam path in a metallic carrier (9) and in that the metallic carrier (9) in turn is cemented to the mechanically stable carrier plate (1).

10. Device according to claim 3 and 4, characterized in that the bearing surfaces are provided for mounting on that side of the carrier plate (1) which is in direct contact with the liquid (7) in the bell-shaped can (6).